FísicaFácil2 pts

Campo y potencial gravitatorio

Extremadura · 2022 · Julio
Enunciado
Determine la velocidad inicial a la que hay que lanzar un cohete verticalmente, desde la superficie de la Tierra, para que ascienda a una altura de 900 km.

Datos: constante de gravitación universal G=6,67⋅10−11 N m2/kg2G = 6{,}67\cdot 10^{-11}\ \text{N}\,\text{m}^2/\text{kg}^2; masa de la Tierra MT=6⋅1024 kgM_T = 6\cdot 10^{24}\ \text{kg}; radio de la Tierra RT=6370 kmR_T = 6370\ \text{km}. (Calificación, 2 puntos).
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Resultado
  v0=3,94⋅103 m/s≈3,94 km/s  \boxed{\;v_0 = 3{,}94\cdot 10^{3}\ \text{m/s} \approx 3{,}94\ \text{km/s}\;}
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Estrategia

Una altura de 900 km no es pequeña frente al radio terrestre, así que gg no se puede tomar constante y no sirve Ep=mghE_p = mgh. Usamos la conservación de la energía mecánica con la energía potencial gravitatoria Ep=−GMTm/rE_p = -GM_Tm/r: en la superficie el cohete tiene energía cinética y en el punto más alto, a r=RT+hr = R_T + h, se detiene. La masa del cohete se simplifica.
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Desarrollo

Pasamos las distancias al SI:RT=6,37⋅106 mh=9⋅105 mRT+h=7,27⋅106 mR_T = 6{,}37\cdot 10^{6}\ \text{m}\qquad h = 9\cdot 10^{5}\ \text{m}\qquad R_T + h = 7{,}27\cdot 10^{6}\ \text{m}Sin rozamiento con el aire, la única fuerza es la gravitatoria, que es conservativa. Igualamos la energía mecánica en la superficie (velocidad v0v_0) y en la altura máxima (velocidad nula):12 m v02−G MT mRT=0−G MT mRT+h\frac{1}{2}\,m\,v_0^2 - \frac{G\,M_T\,m}{R_T} = 0 - \frac{G\,M_T\,m}{R_T + h}La masa mm se cancela y despejamos:v0=2 G MT(1RT−1RT+h)v_0 = \sqrt{2\,G\,M_T\left(\frac{1}{R_T} - \frac{1}{R_T + h}\right)}Sustituimos (G MT=6,67⋅10−11⋅6⋅1024=4,002⋅1014 m3/s2G\,M_T = 6{,}67\cdot 10^{-11}\cdot 6\cdot 10^{24} = 4{,}002\cdot 10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2):v0=2⋅4,002⋅1014(16,37⋅106−17,27⋅106)=1,556⋅107=3,94⋅103 m/sv_0 = \sqrt{2\cdot 4{,}002\cdot 10^{14}\left(\frac{1}{6{,}37\cdot 10^{6}} - \frac{1}{7{,}27\cdot 10^{6}}\right)} = \sqrt{1{,}556\cdot 10^{7}} = 3{,}94\cdot 10^{3}\ \text{m/s}Es decir, unos 3,94 km/s3{,}94\ \text{km/s} (unos 14 200 km/h14\,200\ \text{km/h}), bastante por debajo de la velocidad de escape terrestre (11,2 km/s11{,}2\ \text{km/s}), como debe ser: el cohete sube y vuelve a caer.

Si se hubiera usado gg constante, v0=2 g0 hv_0 = \sqrt{2\,g_0\,h} con g0=9,86 m/s2g_0 = 9{,}86\ \text{m/s}^2 daría 4,21⋅103 m/s4{,}21\cdot 10^{3}\ \text{m/s}: un 7 % de más, porque la gravedad disminuye con la altura y frena menos de lo que supone esa fórmula.
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Consejo

Si la altura es comparable al radio del planeta (cientos de kilómetros), usa siempre Ep=−GMm/rE_p = -GMm/r y conservación de la energía; mghmgh solo vale cerca del suelo.

Comprueba que tu resultado es menor que la velocidad de escape: si no, el cohete no volvería.
Paso 1 de 3
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